JP7420190B1 - 成形荷重増要因部位特定方法、プレス成形品の製造方法、成形荷重増要因部位特定装置、成形荷重増要因部位特定プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
そして、大きな成形荷重が予測される場合には、部品や金型の形状を変更したり、成形工程を検討したりするなどして、成形荷重の低減が図られていた。
しかし、従来では、大きな成形荷重が予測された場合に、その要因となっている部位を明確に特定する方法がなかったため、設計者の経験に基づいて部品形状を修正していた。そして、修正した部品形状に対応した金型モデルを作成してCAE解析を行い、該修正による効果の有無を確認する必要があった。
また、解析の結果、成形荷重を低減する効果が得られなかった場合には、上述した部品形状の修正、金型モデルの作成、解析を繰り返さなければならず、トライアル・アンド・エラーによる大きな手間が生じていた。
例えば、金型同士の干渉や、金型及びプレス機械の剛性等によっても、面圧が大きくなる場合があるので、これらの理由によって面圧が大きくなった部位の部品形状を修正しても成形荷重を低減する効果が得られない場合がある。
したがって、面圧分布に基づいて成形荷重増要因部位を特定する場合には、面圧が増加する要因の切り分けが必要であり、面圧が大きい部位が多数ある場合には、荷重増要因部位を特定するまでに多大な時間を要していた。
また、上記成形荷重増要因部位特定方法を用いることにより成形荷重を低減してプレス成形品を製造することができるプレス成形品の製造方法を提供することを目的とする。
発明者らは、上記課題を解決するため、成形荷重が増加する現象について鋭意検討した。
前述したように、成形下死点に至る途中でブランクが金型の表面形状に馴染まない部位がある場合、成形終期(成形下死点の直前)の成形荷重が急激に上昇する。
そして、このようなブランクが金型の表面形状に馴染まないという現象は、部品形状におけるパンチ肩部や、凸(又は凹)形状部の部分で発生しやすい。
実際のプレス成形では、成形下死点付近において、ブランクとの接触によってパンチ及びダイの表面に大きな面圧が作用し、パンチ及びダイの表面がわずかに弾性変形して扁平する(押し潰される)。
これが、凸形状部を有するプレス成形品を成形する際に成形荷重が増加する要因の一つとなっていた。
そして、成形中にブランクが金型に馴染みにくい部位、即ち成形中のブランク形状と金型形状の形状差が大きい部位では、金型の変形抵抗の影響が大きくなる。
一方、成形中にブランクが金型に馴染みやすい部位では、金型の変形抵抗の影響は小さくなる。
成形下死点に至る前に、金型が弾性変形しなくてもブランクが金型に馴染んでいる部位では、金型が弾性変形してもブランクと金型の馴染み具合は変わらないので、成形荷重の増加量に影響がない。
一方、しわが発生しない部位では見かけ上の板厚が厚くなることもないので、金型の弾性変形は成形荷重に大きく影響しない。
そして、CAE解析において金型モデルの一部のみ変形抵抗を変更し、変形抵抗変更前後の成形荷重の変化をみれば、当該部位が成形荷重増の要因となる部位であるかを評価できるという発想に至った。
上型及び/または下型が一体の部品で構成され、前記プレス成形品をプレス成形する金型をモデル化した金型モデルに、少なくとも二つ以上の評価領域を設定する金型モデル評価領域設定ステップと、
前記金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記金型モデルの成形荷重分布を算出する成形解析ステップと、
前記金型モデルの評価領域毎の荷重評価値を、前記成形解析ステップで算出した成形荷重分布に基づき算出する金型モデル荷重評価値算出ステップと、
前記金型モデルの評価領域のうちの一つの評価領域の変形抵抗を、低くまたは高く変更した変形抵抗変更金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記変形抵抗変更金型モデルの成形荷重分布を算出し、該成形荷重分布に基づいて前記変形抵抗を変更した評価領域の荷重評価値を算出する変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップと、
前記金型モデル荷重評価値算出ステップで算出した荷重評価値と、前記変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップで算出した荷重評価値とに基づいて、金型モデルの変形抵抗変更前後で荷重評価値が変化する前記評価領域を特定し、該特定した評価領域に対応する前記プレス成形品の部位を、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位として特定する成形荷重増要因部位特定ステップと、を含むことを特徴とするものである。
該特定した部位のプレス成形品の形状と、対応する金型モデルの形状と、を修正する形状修正ステップと、
該金型モデルの評価領域における金型モデルの変形抵抗変更前後の荷重評価値の変化が所定の範囲内になるまで、前記成形荷重増要因部位特定ステップと、前記形状修正ステップと、を繰り返し、前記プレス成形品の形状と、対応する金型モデルの形状を決定するプレス成形品・金型モデル形状決定ステップと、
該決定した金型モデルの形状に基づき金型を製作し、該製作した金型を用いて前記プレス成形品のプレス成形を行うプレス成形ステップと、を含むことを特徴とするものである。
上型及び/または下型が一体の部品で構成され、前記プレス成形品をプレス成形する金型をモデル化した金型モデルに、少なくとも二つ以上の評価領域を設定する金型モデル評価領域設定部と、
前記金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記金型モデルの成形荷重分布を算出する成形解析部と、
前記金型モデルの評価領域毎の荷重評価値を、前記成形解析部で算出した成形荷重分布に基づき算出する金型モデル荷重評価値算出部と、
前記金型モデルの評価領域のうちの一つの評価領域の変形抵抗を、低くまたは高く変更した変形抵抗変更金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記変形抵抗変更金型モデルの成形荷重分布を算出し、該成形荷重分布に基づいて前記変形抵抗を変更した評価領域の荷重評価値を算出する変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部と、
前記金型モデル荷重評価値算出部で算出した荷重評価値と、前記変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部で算出した荷重評価値とに基づいて、金型モデルの変形抵抗変更前後で荷重評価値が変化する前記評価領域を特定し、該特定した評価領域に対応する前記プレス成形品の部位を、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位として特定する成形荷重増要因部位特定部と、を有することを特徴とするものである。
実施の形態1にかかる成形荷重増要因部位特定方法は、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位を特定するものである。本実施の形態が対象とする部品の一例を図2に示す。
また、第2天板部5の平面部にも同様に、凸状に張り出した第2凸部13が形成されている。
図3(a)に図2のA-A断面形状、図3(b)に図2のB-B断面形状を示す。第1凸部11と第2凸部13の凸高さは、図3に示すようにほぼ同等である。
従来の方法では、金型馴染み不良や、しわ発生が懸念される多くの部位を対象に形状修正し、成形荷重を低減できるか否かを試みる必要があった。この結果、部品形状CADデータの修正及び有限要素法(FEM)解析用の金型モデルの作成を複数回繰り返す必要があり、検討に時間がかかっていた。
成形中の金型馴染み不良が懸念される第1凸部11と第2凸部13の面圧分布をみると、図11に示すように、第1凸部11と第2凸部13の上面部や、第1天板部3、第2天板部5との境界周辺部の色が濃く表示されているので、大きい圧縮応力が働いていることがわかる。しかし、第1凸部11、第2凸部13に生じる応力よりも大きい応力が縦壁部7やフランジ部9などの他の部位に散在しており、プレス成形荷重を低減するために第1凸部11と第2凸部13のどちらの形状を修正すべきであるか判断できない。
金型モデル評価領域設定ステップS1は、プレス成形品1をプレス成形する金型をモデル化した金型モデルに、少なくとも二つ以上の評価領域を設定するステップである。なお、本実施の形態では、上型及び/または下型がそれぞれ一体の部品で構成された金型を対象とする。
評価領域A~E、O~Sは、プレス成形品1の両フランジ部9に対応している。
評価領域Gはプレス成形品1の第1凸部11、評価領域Mはプレス成形品1の第2凸部13に対応している。
また、評価領域Fはプレス成形品1の第1天板部3、評価領域Lはプレス成形品1の第2天板部5の平面に対応している。
そして、評価領域H~K、Nは、プレス成形品1の上面部10や第2天板部5の傾斜面に対応している。
このように、評価領域は、必ずしも金型モデル15の全体に設定する必要はなく、ブランクと金型の馴染み不良が懸念される部位や、しわの発生が懸念される部位、形状修正の余地がある部位などに設定すればよい。
成形解析ステップS3は、評価領域を設定した金型モデル15を用い、プレス成形品1のプレス成形を有限要素法(FEM)解析し、成形下死点における金型モデル15の成形荷重分布(図示なし)を算出するステップである。
金型モデル荷重評価値算出ステップS5は、成形解析ステップS3で算出した成形荷重分布に基づき、評価領域A~S毎の荷重評価値を算出するステップである。
荷重評価値とは、成形に要する荷重を評価領域毎に評価するための指標値である。本実施の形態では、各評価領域にかかった荷重、即ち、各評価領域の金型の受ける反力を、評価領域内の有限要素メッシュ毎の荷重データを合計した値として求め、荷重評価値とした。
なお、荷重評価値を、各評価領域の最大荷重(評価領域内の有限要素メッシュ毎の荷重データの最大値)としてもよいし、各評価領域の平均荷重(評価領域内の有限要素メッシュ毎の荷重データの合計値を評価領域の面積で割った値)としてもよい。
変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップS7は、評価領域A~Sのうち一つの評価領域のみ金型モデル15の変形抵抗を変更して有限要素法(FEM)解析を行い、金型モデル15の変形抵抗を変更した評価領域の荷重評価値を算出するステップである。以下、評価領域Aにおける金型モデル15の変形抵抗を変更する場合を例に挙げて具体的に説明する。
本実施の形態では、金型モデル15の評価領域Aにおける変形抵抗を低くするため、金型モデル15の評価領域Aが設定された部位の弾性係数を初期に設定した値の0.05%(ほぼゼロ)にした。
そして、算出した変形抵抗変更金型モデル17の成形荷重分布に基づいて、評価領域Aの荷重評価値(ここでは荷重(評価領域A内の金型の受ける反力))を算出する。
変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップS7で算出した各評価領域の荷重評価値を図5に白の棒グラフで示す。
成形荷重増要因部位特定ステップS9は、ステップS5で算出した荷重評価値と、ステップS7で算出した荷重評価値とに基づいて、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品1の部位を特定するステップである。
よって、本実施の形態の成形荷重増要因部位特定ステップS9では、評価領域Gに対応するプレス成形品1の部位、即ち第1凸部11を、成形荷重増要因部位として特定できる。
図3で説明したように、第1凸部11と第2凸部13は凸高さがほぼ同じである。しかし、凸形状部の張り出し成形性は、凸高さが同じであっても、同じであるとは限らず、凸形状部の周辺部位からの材料流動に大きく影響される。具体的には、周辺部位から凸形状部に材料が流入しやすければ、凸形状部の成形の際にブランクが変形しやすくなって、金型に馴染みやすくなる。
一方、第1凸部11と第1天板部3の外周部は位置が近いので、第1凸部11近傍の第1天板部3の材料が縦壁部7側にも流れやすく、第1凸部11側への材料流動が少なくなり、ブランクの金型馴染みが悪くなる。
上記からも、第1凸部11は、第2凸部13と比べて成形中の金型馴染み不良が生じやすい部位であるといえる。
これに対し、例えば、金型モデルにおいて、一つの評価領域を除く他の評価領域の変形抵抗を変更し、金型モデル全体における変形抵抗変更前後の荷重評価値の変化から成形荷重増要因部位を特定するようにしてもよい。上記のような例を図8に示す。
図8の結果より、金型モデル15における評価領域Gの変形抵抗を変更した場合には荷重が低減しやすく、評価領域Gの変形抵抗を変更しなかった場合には荷重が低減しにくいことがわかる。したがって、この場合も、金型モデル15における評価領域Gに対応するプレス成形品1の部位である第1凸部11を成形荷重増要因部位と特定することができる。
実施の形態1で対象としたプレス成形品1の製造方法について説明する。本実施の形態のプレス成形品1の製造方法は、実施の形態1の成形荷重増要因部位特定方法を用いて、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品1の部位を特定し、当該部位の部品形状を修正することにより、プレス成形に要する荷重を低減するものである。
成形荷重増要因部位特定ステップS11は、実施の形態1で説明した成形荷重増要因部位特定方法を用い、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品1の部位(成形荷重増要因部位)を特定するステップである。実施の形態1で説明した金型モデル評価領域設定ステップS1~成形荷重増要因部位特定ステップS9が本実施の形態2の成形荷重増要因部位特定ステップS11に相当する。
形状修正ステップS13は、成形荷重増要因部位特定ステップS11で特定した部位のプレス成形品1の形状と、対応する金型モデルの評価領域の形状と、を修正するステップである。
上述したように、プレス成形品1の第1凸部11を成形荷重増要因部位として特定したので、まずは、第1凸部11を含む部分の部品形状を修正する。
(形状修正例1)第1凸部の当初の凸高さが3mmであったので、これを2mmまたは1.5mmに変更する。
(形状修正例2)第1凸部11のパンチ肩R部及びダイ肩R部の当初の肩RがR7であったので、これをR10またはR15に変更する。
プレス成形品・金型モデル形状決定ステップS15は、形状修正ステップS13の形状修正による効果を確認し、プレス成形品1の形状とこれに対応する金型モデルの形状を決定するステップである。
具体的には、形状修正後金型モデルに対し、図4と同様の評価領域を設定する(金型モデル評価領域設定ステップS1)。
このように、形状修正の効果が確認できるまで形状修正ステップS13と成形荷重増要因部位特定ステップS11を繰り返し、プレス成形品1の形状と金型モデルの形状を決定する。
プレス成形ステップS17は、プレス成形品・金型モデル形状決定ステップS15で決定した金型モデルの形状に基づき金型を製作し、該製作した金型を用いてプレス成形品1のプレス成形を行うステップである。
実施の形態1で説明した成形荷重増要因部位特定方法は、予め設定されたプログラムをPC(パーソナルコンピュータ)に実行させることで実現できる。そのような装置の一例を本実施の形態にて説明する。
本実施の形態に係る成形荷重増要因部位特定装置19は、図10に一例を示すような、表示装置21と、入力装置23と、主記憶装置25と、補助記憶装置27と、演算処理部29を有している。演算処理部29には、表示装置21、入力装置23、主記憶装置25及び補助記憶装置27が接続され、演算処理部29の指令によって各機能を行う。
補助記憶装置27には少なくとも、金型モデル等の有限要素法(FEM)解析に必要な各種データが記憶されている。
よって、特定した部位に基づいて部品形状を修正すれば、成形荷重を低減するための対策を効率的に行うことができる。
したがって、本発明に係る成形荷重増要因部位特定プログラムは、コンピュータを、金型モデル評価領域設定部、成形解析部、金型モデル荷重評価値算出部、変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部、成形荷重増要因部位特定部として機能させるもの、と特定することができる。
3 第1天板部
5 第2天板部
7 縦壁部
9 フランジ部
10 上面部
11 第1凸部
13 第2凸部
15 金型モデル
17 変形抵抗変更金型モデル
19 成形荷重増要因部位特定装置
21 表示装置
23 入力装置
25 主記憶装置
27 補助記憶装置
29 演算処理部
31 金型モデル評価領域設定部
33 成形解析部
35 金型モデル荷重評価値算出部
37 変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部
39 成形荷重増要因部位特定部
Claims (6)
- コンピュータが各工程を実行し、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位を特定する成形荷重増要因部位特定方法であって、
上型及び/または下型が一体の部品で構成され、前記プレス成形品をプレス成形する金型をモデル化した金型モデルに、少なくとも二つ以上の評価領域を設定する金型モデル評価領域設定ステップと、
前記金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記金型モデルの成形荷重分布を算出する成形解析ステップと、
前記金型モデルの評価領域毎の荷重評価値を、前記成形解析ステップで算出した成形荷重分布に基づき算出する金型モデル荷重評価値算出ステップと、
前記金型モデルの評価領域のうちの一つの評価領域の変形抵抗を、低くまたは高く変更した変形抵抗変更金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記変形抵抗変更金型モデルの成形荷重分布を算出し、該成形荷重分布に基づいて前記変形抵抗を変更した評価領域の荷重評価値を算出する変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップと、
前記金型モデル荷重評価値算出ステップで算出した荷重評価値と、前記変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップで算出した荷重評価値とに基づいて、金型モデルの変形抵抗変更前後で荷重評価値が変化する前記評価領域を特定し、該特定した評価領域に対応する前記プレス成形品の部位を、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位として特定する成形荷重増要因部位特定ステップと、を含むことを特徴とする成形荷重増要因部位特定方法。 - 前記変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出ステップで変更する金型モデルの変形抵抗は、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらから選ばれる二つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載の成形荷重増要因部位特定方法。
- 前記金型モデルの評価領域毎の荷重評価値は、評価領域毎の荷重、最大荷重、又は、平均荷重であることを特徴とする請求項1に記載の成形荷重増要因部位特定方法。
- プレス成形品の製造方法であって、
請求項1乃至請求項3のいずれか一つの成形荷重増要因部位特定方法を用い、成形荷重が増加する要因となる前記プレス成形品の部位を特定する成形荷重増要因部位特定ステップと、
該特定した部位のプレス成形品の形状と、対応する金型モデルの形状と、を修正する形状修正ステップと、
該金型モデルの評価領域における金型モデルの変形抵抗変更前後の荷重評価値の変化が所定の範囲内になるまで、前記成形荷重増要因部位特定ステップと、前記形状修正ステップと、を繰り返し、前記プレス成形品の形状と、対応する金型モデルの形状を決定するプレス成形品・金型モデル形状決定ステップと、
該決定した金型モデルの形状に基づき金型を製作し、該製作した金型を用いて前記プレス成形品のプレス成形を行うプレス成形ステップと、を含むことを特徴とするプレス成形品の製造方法。 - 成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位を特定する成形荷重増要因部位特定装置であって、
上型及び/または下型が一体の部品で構成され、前記プレス成形品をプレス成形する金型をモデル化した金型モデルに、少なくとも二つ以上の評価領域を設定する金型モデル評価領域設定部と、
前記金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記金型モデルの成形荷重分布を算出する成形解析部と、
前記金型モデルの評価領域毎の荷重評価値を、前記成形解析部で算出した成形荷重分布に基づき算出する金型モデル荷重評価値算出部と、
前記金型モデルの評価領域のうちの一つの評価領域の変形抵抗を、低くまたは高く変更した変形抵抗変更金型モデルを用い、前記プレス成形品のプレス成形を有限要素法解析し、成形下死点における前記変形抵抗変更金型モデルの成形荷重分布を算出し、該成形荷重分布に基づいて前記変形抵抗を変更した評価領域の荷重評価値を算出する変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部と、
前記金型モデル荷重評価値算出部で算出した荷重評価値と、前記変形抵抗変更金型モデル荷重評価値算出部で算出した荷重評価値とに基づいて、金型モデルの変形抵抗変更前後で荷重評価値が変化する前記評価領域を特定し、該特定した評価領域に対応する前記プレス成形品の部位を、成形荷重が増加する要因となるプレス成形品の部位として特定する成形荷重増要因部位特定部と、を有することを特徴とする成形荷重増要因部位特定装置。 - コンピュータを請求項5に記載の成形荷重増要因部位特定装置として機能させることを特徴とする成形荷重増要因部位特定プログラム。
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